变形观测与数据处理

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1、变形观测与数据处理变形观测与数据处理师芸师芸2014.21. 绪论绪论变形监测变形监测：利用测量仪器及其它专用仪器和方法利用测量仪器及其它专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视、观测的工作。对变形体的变形现象进行监视、观测的工作。任务任务：确定在各种荷载和外力作用下，变形体的：确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。对象对象：全球性或区域性的变形研究；工程或局部：全球性或区域性的变形研究；工程或局部性变形研究。性变形研究。工程测量的重要组成工程测量的重要组成：对于重要建（构）筑物在：对于重要建（构）筑物在各种应力

2、作用下是否安全的监视是变形测量的重各种应力作用下是否安全的监视是变形测量的重要手段。要手段。1.1 变形监测的内容、目的与意义变形监测的内容、目的与意义 1.1.1 对象对象1）地表变形）地表变形自然原因自然原因：地壳板块运动、地球内部岩浆活动等：地壳板块运动、地球内部岩浆活动等人为原因人为原因：人类的技术经济、生产活动引起各类：人类的技术经济、生产活动引起各类变形。变形。地下开采引起地表的移动变形；露天矿山开采及地下开采引起地表的移动变形；露天矿山开采及公路、铁路等地表工程所形成的人工边坡可能的公路、铁路等地表工程所形成的人工边坡可能的滑坡；人工地下抽水或灌水引起的地表沉降和回滑坡；人工地下

3、抽水或灌水引起的地表沉降和回弹；岩溶地区可能产生地面塌陷等。弹；岩溶地区可能产生地面塌陷等。2）工程建（构）筑物）工程建（构）筑物常见类型常见类型：高层建筑物、桥梁、隧道、水利枢纽、：高层建筑物、桥梁、隧道、水利枢纽、架空索道、地下井巷、井塔和井架、精密输送带、架空索道、地下井巷、井塔和井架、精密输送带、冶炼设施、尾矿坝、挡土墙等。冶炼设施、尾矿坝、挡土墙等。常见变形原因常见变形原因：上述建（构）筑物所处地表变上述建（构）筑物所处地表变形引起，如矿区地表移动；形引起，如矿区地表移动；建筑物荷重压实地建筑物荷重压实地基，引起下沉与变形；基，引起下沉与变形；地基地质条件变化；地基地质条件变化；季节

4、性或周期性的温度变化；季节性或周期性的温度变化；其他外力影响，其他外力影响，如风力、车辆通过的振动等。如风力、车辆通过的振动等。3）大型精密设施）大型精密设施主要对象主要对象：射电望远镜、粒子加速器等科学设施：射电望远镜、粒子加速器等科学设施以及军事设施中的各种设备、导轨等；以及军事设施中的各种设备、导轨等；鸟巢、水立方；鸟巢、水立方；电厂传动装置、齿轮组等。电厂传动装置、齿轮组等。1.1.2 变形测量的目的变形测量的目的变形测量的目的，在于获得被研究对象变形过程变形测量的目的，在于获得被研究对象变形过程中有关变形大小的一切资料，分析研究这些资料中有关变形大小的一切资料，分析研究这些资料可以监

5、视地表变形和工程建（构）筑物的运营情可以监视地表变形和工程建（构）筑物的运营情况。况。如利用震前地表变形趋势作地震预报，边坡微小如利用震前地表变形趋势作地震预报，边坡微小移动可作为滑坡的报警信号，大坝和尾砂坝的变移动可作为滑坡的报警信号，大坝和尾砂坝的变形量可以判断坝体是否安全稳固。还可以根据变形量可以判断坝体是否安全稳固。还可以根据变形测量量资料，检验设计理论是否正确，提供设形测量量资料，检验设计理论是否正确，提供设计并修改所需的经验数据，如岩体地下工程监测，计并修改所需的经验数据，如岩体地下工程监测，是实现信息化施工的重要手段。是实现信息化施工的重要手段。1.1.3 变形测量的内容变形测量

6、的内容地表及各种工程建（构）筑物，由于地质、力学地表及各种工程建（构）筑物，由于地质、力学等原因，往往会产生移动与变形。等原因，往往会产生移动与变形。这种变形有多这种变形有多大？变形的机理？变形的规律？会不会导致工程大？变形的机理？变形的规律？会不会导致工程灾害？灾害？由于工程建（构）筑物都允许有一定的变由于工程建（构）筑物都允许有一定的变形而不影响其正常使用和造成损害，因此要求能形而不影响其正常使用和造成损害，因此要求能准确地估计和观测到各种移动与变形值，并能判准确地估计和观测到各种移动与变形值，并能判定工程建（构）筑物的允许变形值。定工程建（构）筑物的允许变形值。变形测量就是针对这些问题进

7、行研究与测量的一变形测量就是针对这些问题进行研究与测量的一个学科分支，因此变形测量的个学科分支，因此变形测量的内容主要有内容主要有：沉降：沉降测量、位移测量、倾斜测量、裂缝测量和挠度测测量、位移测量、倾斜测量、裂缝测量和挠度测量等。量等。从历次测量结果的比较中了解变形随时间发展的从历次测量结果的比较中了解变形随时间发展的情况。情况。变形测量的变形测量的周期周期常随单位时间内变形量的大小而常随单位时间内变形量的大小而定。当变形量较大时，测量周期宜短；当变形量定。当变形量较大时，测量周期宜短；当变形量减小，建（构）筑物趋于稳定，测量周期可相应减小，建（构）筑物趋于稳定，测量周期可相应放长。放长。1

8、.1.4 变形测量资料分析与管理变形测量资料分析与管理分析与管理变形测量资料，是变形测量工作的一分析与管理变形测量资料，是变形测量工作的一个重要组成部分。个重要组成部分。由于变形测量方法的日益精密，变形测量手段日由于变形测量方法的日益精密，变形测量手段日益增多，所获取的变形测量数据也越来越多，对益增多，所获取的变形测量数据也越来越多，对测量成果的分析整理、管理提出了更高的要求。测量成果的分析整理、管理提出了更高的要求。另一方面，由于计算技术的发展，又为这一工作另一方面，由于计算技术的发展，又为这一工作提供了最理想的工具，如用计算机可视方法进行提供了最理想的工具，如用计算机可视方法进行变形分析等

9、等已成为现实。变形分析等等已成为现实。此外，近十年来新的平差计算方法及统计检验理此外，近十年来新的平差计算方法及统计检验理论在变形测量成果分析中有了很大的进步。如自论在变形测量成果分析中有了很大的进步。如自由网平差理论、变形统计检验等等就是明显的例由网平差理论、变形统计检验等等就是明显的例证。证。还应该指出的是：在成果分析中，测量工程师不还应该指出的是：在成果分析中，测量工程师不应只限于得出有关变形的大小及变形规律，而应应只限于得出有关变形的大小及变形规律，而应作出或参与作出有关变形原因的分析，变形测量作出或参与作出有关变形原因的分析，变形测量成果也不应只是总工程师桌上的摆设，而应是参成果也不

10、应只是总工程师桌上的摆设，而应是参与工程设计、施工与管理的重要资料。与工程设计、施工与管理的重要资料。这样，变形测量工作将会更充分地发挥其应有的这样，变形测量工作将会更充分地发挥其应有的作用，这是在当前技术发展的过程中从事变形测作用，这是在当前技术发展的过程中从事变形测量的测量工程师们提出的新课题。量的测量工程师们提出的新课题。1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 观测对象的变形过程一般都是动态过程，只不过观测对象的变形过程一般都是动态过程，只不过变形速度有快有慢。通常是通过对被研究对象的变形速度有快有慢。通常是通过对被研究对象的不同离散时刻点进行观测，这时，把对象作静态不同离散时

11、刻点进行观测，这时，把对象作静态系统看待，然后由多个时刻的观测结果，再来研系统看待，然后由多个时刻的观测结果，再来研究其运动的动态过程。究其运动的动态过程。变形测量方法的选择取决于变形体的特征、变形变形测量方法的选择取决于变形体的特征、变形监测的目的、变形大小和变形速度等因素监测的目的、变形大小和变形速度等因素。1.2.1 变形测量的主要方法变形测量的主要方法1）根据变形监测的区域范围分类）根据变形监测的区域范围分类全球性监测方面全球性监测方面，空间大地测量是最基本且最实，空间大地测量是最基本且最实用的技术，它主要包括全球定位系统（用的技术，它主要包括全球定位系统（GPS）、）、甚长基线射电干

12、涉测量（甚长基线射电干涉测量（VLBI）、卫星激光测距）、卫星激光测距（SLR）、激光测月技术（）、激光测月技术（LLR）以及卫星重力）以及卫星重力探测技术。探测技术。区域性变形监测方面区域性变形监测方面，GPS已成为主要的技术手已成为主要的技术手段。近段。近20年来发展起来的合成孔径雷达干涉测量年来发展起来的合成孔径雷达干涉测量（InSAR)，在监测地震变形、地面沉降、山体滑，在监测地震变形、地面沉降、山体滑坡等方面，其试验成果精度可达坡等方面，其试验成果精度可达cm甚至甚至mm级，级，表现出很强的技术优势，但精密水准测量依然是表现出很强的技术优势，但精密水准测量依然是高精度高程信息获取的主

13、要方法。高精度高程信息获取的主要方法。工程和局部性变形监测方面工程和局部性变形监测方面，地面常规测量技术，地面常规测量技术（如引张线法、三角网法、导线测量等）；地面（如引张线法、三角网法、导线测量等）；地面摄影测量技术；特殊和专用的测量手段（应力应摄影测量技术；特殊和专用的测量手段（应力应变计、测缝计、裂缝仪、渗压计、扬压力计、测变计、测缝计、裂缝仪、渗压计、扬压力计、测压管、渗流量仪、温度计等），以及以压管、渗流量仪、温度计等），以及以GPS为主为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。的空间定位技术等均得到了较好的应用。2）根据变形监测的手段分类：）根据变形监测的手段分类：（1）常规地面测量

14、方法）常规地面测量方法在这类方法中，视被观测对象的形状、范围以及在这类方法中，视被观测对象的形状、范围以及测量精度等要求的不同，测定平面位置的变形有测量精度等要求的不同，测定平面位置的变形有三角网、边角网、测小角法、导线网、引张线准三角网、边角网、测小角法、导线网、引张线准直测量及交会等其他各种测量方法；测定沉降变直测量及交会等其他各种测量方法；测定沉降变形有精密水准测量、连通管道测量等；高精度全形有精密水准测量、连通管道测量等；高精度全站仪测量，最有效、最直观，主要用于地表变形站仪测量，最有效、最直观，主要用于地表变形测量。如地震监测、边坡监测，也可用于大型工测量。如地震监测、边坡监测，也可

15、用于大型工程建（构）筑物的变形测量，如水坝、码头等。程建（构）筑物的变形测量，如水坝、码头等。三峡大坝（三峡大坝（混凝土重力坝混凝土重力坝 ）小浪底示意图小浪底示意图三峡示意图三峡示意图东江水电站东江水电站（拱坝拱坝）（2）摄影测量方法）摄影测量方法包括地面的单张相片摄影测量、地面立体摄影测包括地面的单张相片摄影测量、地面立体摄影测量、航空摄影测量等。单相片摄影测量只能测定量、航空摄影测量等。单相片摄影测量只能测定平行于摄影机承片框平面上的变形。地面立体摄平行于摄影机承片框平面上的变形。地面立体摄影测量可测定物体空间位置的移动和变形，这两影测量可测定物体空间位置的移动和变形，这两种方法最适于近

16、距离单体建筑物的变形测量。种方法最适于近距离单体建筑物的变形测量。由于计算机技术的广泛应用，使非地形解析摄影由于计算机技术的广泛应用，使非地形解析摄影测量方法有了很大的发展，因此在近景摄影变形测量方法有了很大的发展，因此在近景摄影变形测量中不但可用带有框标与定向设备的测量摄影测量中不但可用带有框标与定向设备的测量摄影机，而且可广泛使用非量测用普通摄影机，这就机，而且可广泛使用非量测用普通摄影机，这就为摄影测量方法在变形测量中的应用开辟了更广为摄影测量方法在变形测量中的应用开辟了更广阔的前景，如数字化摄影测量和实时摄影测量系阔的前景，如数字化摄影测量和实时摄影测量系统的应用。统的应用。航空摄影测

17、量一般只适用于大面积的地表变形测航空摄影测量一般只适用于大面积的地表变形测量。量。19741978年西德鲁尔煤矿区为研究地下开采引年西德鲁尔煤矿区为研究地下开采引起的大面积地表变形，进行了飞行高度起的大面积地表变形，进行了飞行高度375m，像，像比例比例1：2500，生成，生成1：1000图的摄影测量试验：图的摄影测量试验：横坐标误差横坐标误差1.2cm，纵坐标误差，纵坐标误差3.0cm，位置误，位置误差差3.2cm，高程误差，高程误差5.8cm。摄影测量方法有很多优点，如可于同一时刻对建摄影测量方法有很多优点，如可于同一时刻对建（构）筑物和对象的很大范围进行观测，并可测（构）筑物和对象的很大

18、范围进行观测，并可测定任意数量的点，外业工作量少，效率高；能将定任意数量的点，外业工作量少，效率高；能将观测得到的全部资料进行贮存，随时恢复其空间观测得到的全部资料进行贮存，随时恢复其空间模型；而且对观测快速变形具有其他方法所不可模型；而且对观测快速变形具有其他方法所不可及的优点。及的优点。（3）物理传感器方法）物理传感器方法所谓传感器就是将观测对象的各种物理量转变为所谓传感器就是将观测对象的各种物理量转变为电信号后以便进行测定的器件，它是变形测量中电信号后以便进行测定的器件，它是变形测量中的一种有效的方法，它的最大优点是能自动化、的一种有效的方法，它的最大优点是能自动化、远距离操纵和连续记录

19、。远距离操纵和连续记录。光、机、电技术的发展，研制了一些特殊和专用光、机、电技术的发展，研制了一些特殊和专用的监测仪器可用于变形的自动监测，它包括应变的监测仪器可用于变形的自动监测，它包括应变测量、准直测量和倾斜测量。例如，遥测垂线坐测量、准直测量和倾斜测量。例如，遥测垂线坐标仪，采用自动读数设备，其分辨率可达到标仪，采用自动读数设备，其分辨率可达到0.01mm；采用光纤传感器测量系统将测量与信；采用光纤传感器测量系统将测量与信号传输合二为一，具有很强的抗雷击、抗电磁场号传输合二为一，具有很强的抗雷击、抗电磁场干扰和抗恶劣环境能力，便于组成遥测系统，实干扰和抗恶劣环境能力，便于组成遥测系统，实

20、现在线分布式监测。现在线分布式监测。VWP型振弦式渗压计型振弦式渗压计特点：特点：智能识别、避雷芯片、同步温度；长期置于智能识别、避雷芯片、同步温度；长期置于水工建筑物内、外部监测。水工建筑物内、外部监测。 用途：用途：VWP型振弦式渗压计适用于长期埋设在水工型振弦式渗压计适用于长期埋设在水工建筑物或其它混凝土建筑物及地基内，测量结构物建筑物或其它混凝土建筑物及地基内，测量结构物或地基内部的渗透或孔隙的水压力，并可同步测量或地基内部的渗透或孔隙的水压力，并可同步测量埋设点的温度。埋设点的温度。 应用：应用：VWP振弦式渗压计广泛用于水利水电、公路振弦式渗压计广泛用于水利水电、公路铁路、桥梁、隧

21、洞、矿山、国防及建筑工程安全监铁路、桥梁、隧洞、矿山、国防及建筑工程安全监测领域物理量的测量，其中诸多项目为国家重点大测领域物理量的测量，其中诸多项目为国家重点大型水电工程及重要桥梁。型水电工程及重要桥梁。 原理：原理：当被测水压荷载作用在渗压计上，将引起弹当被测水压荷载作用在渗压计上，将引起弹性膜板的变形，其变形带动振弦转变成振弦应力的性膜板的变形，其变形带动振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经水工屏蔽专用电弦并测量其振动频率，频率信号经水工屏蔽专用电缆传输至读数装置，即可测出水荷载的压力值

22、。同缆传输至读数装置，即可测出水荷载的压力值。同时可同步测出埋设点的温度值。仪器具有智能识别时可同步测出埋设点的温度值。仪器具有智能识别功能。功能。 沉降管沉降管型号：型号：GN沉降沉降/测斜管，主要有测斜管，主要有ABS塑料管、高塑料管、高强塑料管、铝合金沉降管三种。强塑料管、铝合金沉降管三种。用途：用途：广泛适用于混凝土大坝、港口建设、隧道广泛适用于混凝土大坝、港口建设、隧道建设、矿山与冶金开采、地质灾害的预防、高层建设、矿山与冶金开采、地质灾害的预防、高层建筑物及其基础、石油、高等级公路、铁道等岩建筑物及其基础、石油、高等级公路、铁道等岩土工程中，与测斜仪配合使用，以测量铅垂方向土工程中

23、，与测斜仪配合使用，以测量铅垂方向的垂直位移、边坡滑移等，作为沉降设备的导轨的垂直位移、边坡滑移等，作为沉降设备的导轨使用。使用。特点：特点：“U”形导槽结构，定位更精确、可靠轻质、形导槽结构，定位更精确、可靠轻质、高强、高柔韧、表面高光洁、综合精度高。测斜高强、高柔韧、表面高光洁、综合精度高。测斜管与测斜管接头采用凹凸槽连接，并用自攻螺丝管与测斜管接头采用凹凸槽连接，并用自攻螺丝固定。测斜管内有供测斜仪探头定向的固定。测斜管内有供测斜仪探头定向的90间隔的间隔的导槽，坚固、耐环境腐蚀、导槽无扭旋。导槽，坚固、耐环境腐蚀、导槽无扭旋。GN-1X型固定倾斜仪型固定倾斜仪 特点：特点：智能识别、避

24、雷芯片、同步温度；长期置于水工建筑智能识别、避雷芯片、同步温度；长期置于水工建筑物内、外部监测。物内、外部监测。用途：用途：GN-1X型倾斜仪适用于长期测量混凝土大坝、土石坝型倾斜仪适用于长期测量混凝土大坝、土石坝等水工建筑物倾斜变化量，同样适用于工民用建筑、道路、等水工建筑物倾斜变化量，同样适用于工民用建筑、道路、桥梁、隧道、路基、土建基坑等的倾斜测量桥梁、隧道、路基、土建基坑等的倾斜测量应用：应用：广泛用于水利水电广泛用于水利水电公路铁路公路铁路桥梁隧洞桥梁隧洞矿山矿山国国防及建筑工程安全监测领域物理量测量。防及建筑工程安全监测领域物理量测量。 原理：原理：结构物产生的倾斜变形，通过安装架

25、传递给倾斜传感结构物产生的倾斜变形，通过安装架传递给倾斜传感器。传感器内装有电解液和导电触点，当传感器发生倾斜变器。传感器内装有电解液和导电触点，当传感器发生倾斜变化时，电解液的液面始终处于水平，但液面相对触点的部位化时，电解液的液面始终处于水平，但液面相对触点的部位发生了改变，也同时引起了输出电量的改变。倾斜仪随结构发生了改变，也同时引起了输出电量的改变。倾斜仪随结构物的倾斜变形量与输出的电量呈对应关系，以此可测出被测物的倾斜变形量与输出的电量呈对应关系，以此可测出被测结构物倾斜角度，同时它的测量值可显示出以零点为基准值结构物倾斜角度，同时它的测量值可显示出以零点为基准值的倾斜角变化的正负方

26、向。的倾斜角变化的正负方向。 倾斜仪可布设为一个测量单元独立工作，亦可多支连点布设倾斜仪可布设为一个测量单元独立工作，亦可多支连点布设测出被测结构物的各段倾斜量，以此将结构物的变形曲线描测出被测结构物的各段倾斜量，以此将结构物的变形曲线描述出来。若在被测物上装成二维方向，可测量结构物的二维述出来。若在被测物上装成二维方向，可测量结构物的二维变形。倾斜仪可以回收重复使用，并且可方便实现倾斜测量变形。倾斜仪可以回收重复使用，并且可方便实现倾斜测量的自动化。的自动化。 （4）GPS技术技术以以GPS为代表的现代空间定位技术，已逐渐在越为代表的现代空间定位技术，已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电

27、子测量仪器。来越多的领域取代了常规光学和电子测量仪器。自自20世纪世纪80年代以来，年代以来，GPS卫星定位和导航技术卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。起了革命性的变化。用用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展到实时（准实时）定位与导分，从事后处理扩展到实时（准实时）定位与导航，绝对和

28、相对精度扩展到航，绝对和相对精度扩展到dm级、级、cm级乃至亚级乃至亚mm级，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行级，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业中的作用。各业中的作用。地学工作者已将地学工作者已将GPS应用于地表变形监测的多个应用于地表变形监测的多个试验中，取得了丰富的理论研究成果，并逐步走试验中，取得了丰富的理论研究成果，并逐步走向了实用阶段。向了实用阶段。数据通信技术、计算机技术和以数据通信技术、计算机技术和以GPS为代表的空为代表的空间定位技术的日益发展和完善，使得间定位技术的日益发展和完善，使得GPS由原来由原来的周期性观测走向高精度、实时、连续、自动监的周期性观测走向高精度

29、、实时、连续、自动监测。测。用用GPS用于变形监测的作业方式可划分为用于变形监测的作业方式可划分为周期性周期性和和连续性连续性两种模式。两种模式。周期性变形监测与传统的变形监测网没有多大区周期性变形监测与传统的变形监测网没有多大区别，因为有的变形体的变形极为缓慢，在局部时别，因为有的变形体的变形极为缓慢，在局部时间域内可以认为是稳定的，其监测频率有的是几间域内可以认为是稳定的，其监测频率有的是几个月，有的甚至长达几年，此时，个月，有的甚至长达几年，此时，GPS静态相对静态相对定位法进行测量，数据处理与分析一般都是事后定位法进行测量，数据处理与分析一般都是事后的。经过的。经过10多年的努力，多年

30、的努力，GPS静态相对定位数据静态相对定位数据处理技术已基本成熟。在周期性监测方面，利用处理技术已基本成熟。在周期性监测方面，利用GPS技术的最大屏障还是基准的选择与确定，它技术的最大屏障还是基准的选择与确定，它已成为近几年研究的热点。已成为近几年研究的热点。连续性变形监测是采用固定监测仪器进行长时间连续性变形监测是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集，获取变形数据序列。虽然连续性监的数据采集，获取变形数据序列。虽然连续性监测模式也是对测点进行重复性观测，但其观测数测模式也是对测点进行重复性观测，但其观测数据是连续的，具有较高的时间分辨率。据是连续的，具有较高的时间分辨率。根据变形体的不同特征

31、，根据变形体的不同特征，GPS连续性监测可采用连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测。进行观测。超水位蓄水大坝：超水位蓄水大坝：要求变形响应的实时性，监测要求变形响应的实时性，监测系统应具有实时的数据传输和数据处理与分析能系统应具有实时的数据传输和数据处理与分析能力，它对数据解算和分析提出了更高的要求。力，它对数据解算和分析提出了更高的要求。桥梁静动载试验、高层建筑物振动测量：桥梁静动载试验、高层建筑物振动测量：要求较要求较高的时间采样率，但数据解算和分析可以是事后高的时间采样率，但数据解算和分析可以是事后的。的。动态监测过

32、去常采用加速度计、激光干涉仪等测动态监测过去常采用加速度计、激光干涉仪等测量设备测定建筑物结构的振动特性，但是，随着量设备测定建筑物结构的振动特性，但是，随着建筑物高度的增高、以及连续性、实时性和自动建筑物高度的增高、以及连续性、实时性和自动化监测程度要求的提高，常规测量技术已越来越化监测程度要求的提高，常规测量技术已越来越受到局限。受到局限。GPS作为一种新方法，由于其硬件和软件的发展作为一种新方法，由于其硬件和软件的发展与完善特别是高采样率与完善特别是高采样率GPS接收机的出现，在大接收机的出现，在大型结构物动态特性和变形监测方面已表现出其独型结构物动态特性和变形监测方面已表现出其独特优越

33、性。特优越性。加拿大卡尔加里塔、深圳帝王大厦：加拿大卡尔加里塔、深圳帝王大厦：现在现在GPS动态监测数据处理主要采用的是整周模动态监测数据处理主要采用的是整周模糊度动态解算法。已有研究表明，对于长期监测糊度动态解算法。已有研究表明，对于长期监测的的GPS系统，采用系统，采用Kalman滤波三差法代替滤波三差法代替RTK技术中的双差相位求解，可以技术中的双差相位求解，可以mm级精度。级精度。1.2.2 变形监测技术的未来发展变形监测技术的未来发展 多种传感器、数字近景摄影、全自动跟踪全站多种传感器、数字近景摄影、全自动跟踪全站仪、地面三维激光扫描系统和仪、地面三维激光扫描系统和GPS的应用，将向

34、的应用，将向实时、连续、高效率、自动化、动态监测系统的实时、连续、高效率、自动化、动态监测系统的方向发展，如：某大坝变形监测系统是由测量机方向发展，如：某大坝变形监测系统是由测量机器人、器人、GPS和特殊测量仪器所构成的最优观测方和特殊测量仪器所构成的最优观测方案；案； 变形监测的时空采样率会得到大大提高，变形变形监测的时空采样率会得到大大提高，变形监测自动化为变形分析提供了极为丰富的数据信监测自动化为变形分析提供了极为丰富的数据信息；息； 高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系统，要求在恶劣环境下长期稳定可靠地运行；统，要求在恶劣环境下长期稳定可靠地

35、运行； 实现远程在线实时监控，在大坝、桥梁、地铁实现远程在线实时监控，在大坝、桥梁、地铁和边坡体等工程中将发挥巨大作用，网络监控是和边坡体等工程中将发挥巨大作用，网络监控是推进重大工程安全监控管理的必由之路。推进重大工程安全监控管理的必由之路。地质灾害监测与预警系统地质灾害监测与预警系统这里主要介绍数字化近景摄影测量系统、高精度这里主要介绍数字化近景摄影测量系统、高精度变形测量机器人系统、卫星定位技术、三维激光变形测量机器人系统、卫星定位技术、三维激光扫描技术及其在变形测量中的应用。扫描技术及其在变形测量中的应用。1）数字化近景摄影测量系统）数字化近景摄影测量系统 优点：数字化近景摄影测量系统

36、，使摄影测量优点：数字化近景摄影测量系统，使摄影测量的内、外业工作大大简化，对操作人员的要求大的内、外业工作大大简化，对操作人员的要求大大降低，完全摆脱了昂贵的传统摄影测量设备，大降低，完全摆脱了昂贵的传统摄影测量设备，从而使其应用领域显著扩大。与常规的边、角测从而使其应用领域显著扩大。与常规的边、角测量相比，它不但外业速度快，信息记录全，且在量相比，它不但外业速度快，信息记录全，且在许多常规测量无法作业的地点都能进行测量。许多常规测量无法作业的地点都能进行测量。 该系统将相片量测、三维坐标计算、计算结果的该系统将相片量测、三维坐标计算、计算结果的绘图输出一体化，因此整个内业过程都在计算机绘图

37、输出一体化，因此整个内业过程都在计算机上完成，操作方便。上完成，操作方便。 （1）系统构成、功能）系统构成、功能像片量测子系统立体重建子系统绘图子系统位移分析、立体建模数字化近景摄影测量系统的系统构成数字化近景摄影测量系统的系统构成（2）适用范围）适用范围变形测量，包括房屋、桥梁、井筒、井架及各变形测量，包括房屋、桥梁、井筒、井架及各种工业构筑物和地下工程变形测量。种工业构筑物和地下工程变形测量。文物考古中发掘现场测绘等。文物考古中发掘现场测绘等。露天矿、隧道断面验收测量，物料体积测量，露天矿、隧道断面验收测量，物料体积测量，露天边坡及排土场稳态监测等。露天边坡及排土场稳态监测等。塌陷区测量。

38、塌陷区测量。交通事故和刑事案件现场的测绘。交通事故和刑事案件现场的测绘。复杂机械零件的测绘。复杂机械零件的测绘。森林调查，测定树位、树径、树冠、树高等。森林调查，测定树位、树径、树冠、树高等。（3）系统使用的方法）系统使用的方法常用的主要有：常用的主要有： 房屋变形测量房屋变形测量 井筒和隧道的变形测量井筒和隧道的变形测量 体积测量体积测量 现场图的测绘现场图的测绘 用虚拟相片法进行大物体精密变形测量用虚拟相片法进行大物体精密变形测量不同的变形监测任务，系统的使用方法也不相不同的变形监测任务，系统的使用方法也不相同。现以房屋变形测量为例说明其使用具体方同。现以房屋变形测量为例说明其使用具体方法

39、：法：a、在需要观测房屋部分或房屋四周，选相距、在需要观测房屋部分或房屋四周，选相距2-3m以上的两个竖直方向，粘贴一些作为观测和计以上的两个竖直方向，粘贴一些作为观测和计算的标志点，并精确量出其距离作为起算边。标算的标志点，并精确量出其距离作为起算边。标志点的分布可在重点变形区域多设，一般区域少志点的分布可在重点变形区域多设，一般区域少设。设。b、手持照相机绕房屋四周或对待测部分照相，相、手持照相机绕房屋四周或对待测部分照相，相邻两照片间应有足够的重叠度。邻两照片间应有足够的重叠度。c、将放大的彩色照片扫描成、将放大的彩色照片扫描成BMP格式的图像文格式的图像文件，存入计算机。一个场景不超过

40、件，存入计算机。一个场景不超过20张照片，场张照片，场景大时可分作多个小场景计算。景大时可分作多个小场景计算。d、在该系统的主控菜单下，用鼠标在计算机屏幕、在该系统的主控菜单下，用鼠标在计算机屏幕上进行相片量测，然后做三维坐标计算，最后调上进行相片量测，然后做三维坐标计算，最后调用用AutoCAD进行计算结果的绘图输出。进行计算结果的绘图输出。e、对两期或多期变形测量照片，按上述方法计算、对两期或多期变形测量照片，按上述方法计算出各标志点的三维坐标后，即可调用本系统的位出各标志点的三维坐标后，即可调用本系统的位移分析程序，进行每两期间的位移分析，找出位移分析程序，进行每两期间的位移分析，找出位

41、移点并求出其位移值。还可调用移点并求出其位移值。还可调用AutoCAD将各点将各点位移过程及变形过程用图形表示位移过程及变形过程用图形表示（4）数字化近景摄影测量系统的应用前景）数字化近景摄影测量系统的应用前景 数字化近景摄影测量系统在工程中有广泛的数字化近景摄影测量系统在工程中有广泛的应用前景。特别是手持式数码相机的应用，免去应用前景。特别是手持式数码相机的应用，免去相片的冲、放，减少了消耗，提高了信息反馈的相片的冲、放，减少了消耗，提高了信息反馈的速度；同时，由于数码相机是以数字方式存储相速度；同时，由于数码相机是以数字方式存储相片，消除了软片压平误差及相片变形误差，并通片，消除了软片压平

42、误差及相片变形误差，并通过与计算机连接，其处理过程实际上直接从相机过与计算机连接，其处理过程实际上直接从相机上量取相片，为工程监测及其他自动摄影监测提上量取相片，为工程监测及其他自动摄影监测提供了极为有利的条件。供了极为有利的条件。2）变形测量高精度测量机器人系统）变形测量高精度测量机器人系统能连续或定时对多个合作目标进行自动识别、照能连续或定时对多个合作目标进行自动识别、照准、跟踪、测角、测距和三维坐标测定的自动跟准、跟踪、测角、测距和三维坐标测定的自动跟踪全站仪称为踪全站仪称为测量机器人测量机器人。是在全站仪基础上集成步进马达、是在全站仪基础上集成步进马达、CCD影像传感影像传感器构成的视

43、频成像系统，并配置智能化的控制及器构成的视频成像系统，并配置智能化的控制及应用软件发展而成的。自动化、全天候工作，特应用软件发展而成的。自动化、全天候工作，特别适用于工程开挖体及各种建（构）筑物的变形别适用于工程开挖体及各种建（构）筑物的变形测量。测量。测量机器人是以测边和三边交会法确定监测点的测量机器人是以测边和三边交会法确定监测点的三维坐标来解决全自动观测的问题。三维坐标来解决全自动观测的问题。（1）系统组成）系统组成 上图为某大坝的变形测量机器人系统，该系统由上图为某大坝的变形测量机器人系统，该系统由三套高精度自动测距系统、数据通讯设备、反射三套高精度自动测距系统、数据通讯设备、反射棱镜

44、组、系统软件、中央控制室主计算机、频率棱镜组、系统软件、中央控制室主计算机、频率校准仪、高精度通风温度计、数字气压计、数字校准仪、高精度通风温度计、数字气压计、数字湿度计等组成。湿度计等组成。自动跟踪全站仪SMDAMS系统 主机UPS电源数据通信部分高精度通风温度计数字气压计数字湿度计高精度光电测距仪频率校准仪测量机器人系统测量机器人系统（2）系统工作原理）系统工作原理进行自动连续观测，每次观测都通过计算得到一进行自动连续观测，每次观测都通过计算得到一个位移值，从而据此可以获得监测点的移动速度个位移值，从而据此可以获得监测点的移动速度及移动变化规律，并通过设定极限值来判断是否及移动变化规律，并

45、通过设定极限值来判断是否超限而报警。超限而报警。（3）提高精度所采取的措施）提高精度所采取的措施系统中误差分为两类：系统中误差分为两类：非比例误差非比例误差通过利用光电测距仪检定中心严格的室内仪器检通过利用光电测距仪检定中心严格的室内仪器检定，监测现场强制对中、在反光镜上设照准镜或定，监测现场强制对中、在反光镜上设照准镜或固定反光镜等措施来减小。固定反光镜等措施来减小。比例误差比例误差a、通过采用自行研制的光电测距仪频率校准仪，、通过采用自行研制的光电测距仪频率校准仪，使测尺频率误差减小。使测尺频率误差减小。b、采用、采用0.02的超线性石英高精度温度计。的超线性石英高精度温度计。c、采用、采

46、用6Pa的数字气压计，的数字气压计，4的数字湿度计，的数字湿度计，通过计算机采集数据，计算气象元素测定引起的通过计算机采集数据，计算气象元素测定引起的测距误差。测距误差。d、采用精密大气折射率计算公式，计算大气折射、采用精密大气折射率计算公式，计算大气折射率的误差；对于气象代表性误差的处理，采用偶率的误差；对于气象代表性误差的处理，采用偶然误差与系统误差分别处理的办法，通过多次测然误差与系统误差分别处理的办法，通过多次测距削弱大所喘流引起的距离偶然波动，通过周日距削弱大所喘流引起的距离偶然波动，通过周日观测，并经适当数据处理消除气象代表性误差的观测，并经适当数据处理消除气象代表性误差的系统变化

47、值。系统变化值。精度可达亚毫米级（精度可达亚毫米级（0.20.3mm）。）。（4）应用领域）应用领域由于测量机器人系统具有极高的监测精度，可全由于测量机器人系统具有极高的监测精度，可全面、连续、自动监测，不遗漏掉险情，能及时发面、连续、自动监测，不遗漏掉险情，能及时发现微小的异常移动或变形，因而可实现边坡、基现微小的异常移动或变形，因而可实现边坡、基坑的自动监测，以及地下采矿、隧道、城市地下坑的自动监测，以及地下采矿、隧道、城市地下工程开挖对地表的影响监测等的信息化施工，并工程开挖对地表的影响监测等的信息化施工，并可用于高层建筑、大坝等重要建（构）筑物的变可用于高层建筑、大坝等重要建（构）筑物

48、的变形监测和地震监测预报，目前，该系统已成功应形监测和地震监测预报，目前，该系统已成功应用到某大型旅游观光电梯等建（构）筑物变形监用到某大型旅游观光电梯等建（构）筑物变形监测之中。测之中。3）卫星定位技术进行变形监测）卫星定位技术进行变形监测（1）卫星定位系统及原理）卫星定位系统及原理全球卫星定位系统（全球卫星定位系统（GPS）是）是20世纪世纪70年代由美年代由美国国防部批准。陆海空三军联合研制的新一代空国国防部批准。陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航系统。间卫星导航系统。全球定位系统共由三部分全球定位系统共由三部分组成组成：地面控制部分，地面控制部分，由主控站、监测站和通讯辅助系统组成

49、由主控站、监测站和通讯辅助系统组成 空间空间部分，由部分，由24颗卫星组成，分布在颗卫星组成，分布在6个轨道平面上个轨道平面上 用户装置部分主要由用户装置部分主要由GPS接收机和卫星天线组接收机和卫星天线组成。成。其定位原理其定位原理：利用大地测量中的距离交会的原理：利用大地测量中的距离交会的原理进行定位。即以卫星为已知点，同时测量多颗卫进行定位。即以卫星为已知点，同时测量多颗卫星到接收机的距离，按距离交会方式确定接收机星到接收机的距离，按距离交会方式确定接收机的坐标。的坐标。（2）GPS卫星定位技术在变形监测中的应用卫星定位技术在变形监测中的应用随着随着GPS接收机硬件性能提高和软件处理技术

50、进接收机硬件性能提高和软件处理技术进步，步，GPS相对定位的精度从相对定位的精度从10-7提高到提高到10-9量级。量级。加之加之GPS具有测站间无需通视、不受气候条件限具有测站间无需通视、不受气候条件限制等优点，制等优点，GPS技术逐渐成为变形监测中的一种技术逐渐成为变形监测中的一种重要手段。如，应用重要手段。如，应用GPS技术进行板块运动和地技术进行板块运动和地壳形变监测为描述地球动力状态的一些物理模型壳形变监测为描述地球动力状态的一些物理模型提供了直接的经验；提供了直接的经验；GPS用于短距离变形监测的精度可达亚毫米级，用于短距离变形监测的精度可达亚毫米级，从而为大型建筑物及滑坡崩塌等高

51、精度变形监测从而为大型建筑物及滑坡崩塌等高精度变形监测提供了一种新的手段。提供了一种新的手段。到目前为止，国内已成功应用到目前为止，国内已成功应用GPS技术测量大坝技术测量大坝变形并实现自动化；香港已成功建立了变形并实现自动化；香港已成功建立了Tsing Ma、Kap Shui Mun和和Ting Kau大桥的大桥的GPS自动变形自动变形监测系统。监测系统。美国加州美国加州Pacoima大坝也采用后处理技术进行变大坝也采用后处理技术进行变形监测，来确保其安全性。形监测，来确保其安全性。（3）GPS变形监测系统及其功能变形监测系统及其功能GPS监测系统一般是由监测系统一般是由GPS基准站、基准站

52、、GPS监测站、监测站、通信网络和通信网络和GPS监测中心监测中心4部分组成，而监测中部分组成，而监测中心主要由工作站、服务器和局域网组成。心主要由工作站、服务器和局域网组成。系统各个部分的功能：系统各个部分的功能： GPS基准站。输出差分信号和原始数据。基准站。输出差分信号和原始数据。 GPS监测站。输出监测站。输出RTK差分结果和原始数据。差分结果和原始数据。 工控机。采集工控机。采集GPS流动台的原始数据和流动台的原始数据和RTK差差分结果，向分结果，向GPS流动站发送控制命令。通过切换流动站发送控制命令。通过切换开关控制共享、分配器的工作。开关控制共享、分配器的工作。 服务器。运行数据

53、库，处理工控机发来的数据服务器。运行数据库，处理工控机发来的数据供工作站显示和分析。供工作站显示和分析。（4）GPS变形监测系统的软件设计变形监测系统的软件设计GPS变形监测系统软件设计包括：变形监测系统软件设计包括：系统监控软系统监控软件设计；件设计；位移监控软件设计；位移监控软件设计；GPS变形监测变形监测系统通讯设计；系统通讯设计；控制服务器软件设计。控制服务器软件设计。GPS变形监测系统软件设计的原则：变形监测系统软件设计的原则： 在性能上和功能上满足系统的总体要求。在性能上和功能上满足系统的总体要求。 技术上要先进、成熟。技术上要先进、成熟。 软件开发符合开发规范及有关标准，在开发过

54、软件开发符合开发规范及有关标准，在开发过程中采用软件工程的方法。程中采用软件工程的方法。 采用统一的编程语言，程序设计有良好的风格，采用统一的编程语言，程序设计有良好的风格，增加可读性和可维护性。增加可读性和可维护性。 具有很高的可靠性，能稳定地运行。具有很高的可靠性，能稳定地运行。 具有严格的保密安全措施，避免非法和误操作。具有严格的保密安全措施，避免非法和误操作。 具有良好的可扩充性、可维护性和可移植性。具有良好的可扩充性、可维护性和可移植性。（5）GPS监测系统的安全性和可靠性监测系统的安全性和可靠性 整个系统除实现基本功能外，尽量提高系统整个系统除实现基本功能外，尽量提高系统的安全性和

55、可靠性。这主要包括：的安全性和可靠性。这主要包括： 开发远程控制器，其主要功能是实时监听控制开发远程控制器，其主要功能是实时监听控制命令回路接受监控中心发来的复位命令，切断命令回路接受监控中心发来的复位命令，切断GPS接收机的电源，经过一定的延时后，再重新接收机的电源，经过一定的延时后，再重新启动接收机，使接收机复位并正常工作。另外当启动接收机，使接收机复位并正常工作。另外当电源合上时，远程控制器也能自动打开接收机。电源合上时，远程控制器也能自动打开接收机。 在工控机程序中加入看门狗，当工控机的程序在工控机程序中加入看门狗，当工控机的程序或操作系统出现错误并导致数据采集程序停止工或操作系统出现

56、错误并导致数据采集程序停止工作时，电路将自动复位计算机，计算机启动后能作时，电路将自动复位计算机，计算机启动后能直接运行程序并连接网络，不用任何干预。直接运行程序并连接网络，不用任何干预。 正常工作时工控机一直通过网络连接到服务器正常工作时工控机一直通过网络连接到服务器的数据库。当服务器停机或网络出现故障时工控的数据库。当服务器停机或网络出现故障时工控机的程序将继续运行并不停尝试连接数据库。一机的程序将继续运行并不停尝试连接数据库。一旦故障排除，工控机程序将自动投入正常运行。旦故障排除，工控机程序将自动投入正常运行。 由分析工作站程序可以通过网络同时开启流动由分析工作站程序可以通过网络同时开启

57、流动站和基准站的原始数据输出，保证原始数据的有站和基准站的原始数据输出，保证原始数据的有效性。效性。（6）多天线）多天线GPS变形监测系统变形监测系统应用应用GPS技术的优点是明显的，但如果在每一个技术的优点是明显的，但如果在每一个监测点上都安置一台监测点上都安置一台GPS接收机，那么势必造成接收机，那么势必造成高额的仪器设备费用投入，且不可避免地存在这高额的仪器设备费用投入，且不可避免地存在这些昂贵的仪器设备在事件发生时的损失问题。些昂贵的仪器设备在事件发生时的损失问题。4）三维激光扫描技术进行变形监测）三维激光扫描技术进行变形监测激光雷达通过发射红外激光直接测量雷达中心到激光雷达通过发射红

58、外激光直接测量雷达中心到地面点的角度和距离信息，获取地面点的三维数地面点的角度和距离信息，获取地面点的三维数据。激光雷达属于无合作目标测量技术，不需要据。激光雷达属于无合作目标测量技术，不需要任何测量专用标志，直接对物体测量，能够快速任何测量专用标志，直接对物体测量，能够快速获取高密度的三维数据，所以又称三维激光扫描获取高密度的三维数据，所以又称三维激光扫描技术。根据承载平台不同，三维激光扫描又分机技术。根据承载平台不同，三维激光扫描又分机载型、车载型、站载型，其中车载型和站载型属载型、车载型、站载型，其中车载型和站载型属于地面三维激光扫描。于地面三维激光扫描。三维激光扫描的主要特点体现在数据

59、采集的高密三维激光扫描的主要特点体现在数据采集的高密度、高速度和无合作目标测量。用户可以设置测度、高速度和无合作目标测量。用户可以设置测点间隔密度为点间隔密度为0.1m-2m。以每秒几十、几千乃至。以每秒几十、几千乃至上万个点的速度测量，具有很强的数字空间模型上万个点的速度测量，具有很强的数字空间模型信息的获取能力。信息的获取能力。地面三维激光扫描仪在测程上，根据仪器种类不地面三维激光扫描仪在测程上，根据仪器种类不同，从几米到两公里以上。十米以内测程为超短同，从几米到两公里以上。十米以内测程为超短程，程，10m-100m为短程，为短程，100m-300m为中程，为中程，300m以上为远程三维激

60、光扫描系统。由于三维激以上为远程三维激光扫描系统。由于三维激光扫描测量受步进器的测角精度、仪器测时精度、光扫描测量受步进器的测角精度、仪器测时精度、激光信号的信噪比、激光信号反射率、回波信号激光信号的信噪比、激光信号反射率、回波信号强度、背景辐射噪声强度、激光脉冲接收器灵敏强度、背景辐射噪声强度、激光脉冲接收器灵敏度、测量距离、仪器与被测目标面所形成的角度度、测量距离、仪器与被测目标面所形成的角度等方面的影响等方面的影响,一般中远程三维激光扫描仪的单点一般中远程三维激光扫描仪的单点测量精度在几毫米到数厘米之间，模型的精度要测量精度在几毫米到数厘米之间，模型的精度要远高于单点精度，可达远高于单点

61、精度，可达2-3mm。视频视频: Leica ScanStation C10 2Leica ScanStation C10型三维激光扫描仪型三维激光扫描仪地面三维激光扫描仪作为非接触式高速激光测量地面三维激光扫描仪作为非接触式高速激光测量方式，在地面景观形体测量，文物保护建模，高方式，在地面景观形体测量，文物保护建模，高陡边坡地形测量及工程量计算等具有明显优势。陡边坡地形测量及工程量计算等具有明显优势。与同样具有快速测量优势的数字摄影测量相比，与同样具有快速测量优势的数字摄影测量相比，降低了对地表纹理的要求，无需像控点，能反应降低了对地表纹理的要求，无需像控点，能反应对象细节信息等特点。对象细

62、节信息等特点。三维激光扫描技术能快速准确地生成监测对象的三维激光扫描技术能快速准确地生成监测对象的三维数据模型，已开始在桥梁、文物、滑坡体、三维数据模型，已开始在桥梁、文物、滑坡体、泥石流、火山等领域快速面监测中进行应用。美泥石流、火山等领域快速面监测中进行应用。美国弗洛里达州运输部利用国弗洛里达州运输部利用JLRIS-3D对弗洛里达州对弗洛里达州110出口的出口的30号桥梁进行桥梁加载变形监测的实号桥梁进行桥梁加载变形监测的实验，以分析该桥梁结构承受能力，通过与传统监验，以分析该桥梁结构承受能力，通过与传统监测手段在外界所需条件、测量精度、测量时间、测手段在外界所需条件、测量精度、测量时间、

63、需要人员、测量总点数、成果输出等方面的比较，需要人员、测量总点数、成果输出等方面的比较，认为三维激光扫描技术在变形监测方面是可行的。认为三维激光扫描技术在变形监测方面是可行的。激光扫描系统得到的是海量数据，点云具有一定激光扫描系统得到的是海量数据，点云具有一定的散乱性，没有实体特征参数，直接利用三维激的散乱性，没有实体特征参数，直接利用三维激光扫描数据比较困难。必须建立针对三维激光技光扫描数据比较困难。必须建立针对三维激光技术的整体变形监测概念，研究与之相适应的变形术的整体变形监测概念，研究与之相适应的变形监测理论及数据处理方法：现有的基于监测点的监测理论及数据处理方法：现有的基于监测点的变形

64、监测模式不适用于基于三维激光扫描仪的变变形监测模式不适用于基于三维激光扫描仪的变形监测，必须探讨无监测点的监测对象形监测，必须探讨无监测点的监测对象的的测量方测量方法；要研究监测对象三维模型的建立和模型的匹法；要研究监测对象三维模型的建立和模型的匹配；研究基于三维监测对象模型的变形分析理论配；研究基于三维监测对象模型的变形分析理论及方法；建立基于激光三维扫描技术的监测数据及方法；建立基于激光三维扫描技术的监测数据和模型精度的评价体系等。和模型精度的评价体系等。1.3 变形分析的内涵及其研究进展变形分析的内涵及其研究进展 对工程的变形监测、分析与灾害预报来说：对工程的变形监测、分析与灾害预报来说

65、：监测监测是基础、分析是手段、预报是目的。是基础、分析是手段、预报是目的。采用各种专用监测仪器、现代大地测量仪器以及采用各种专用监测仪器、现代大地测量仪器以及空间对地观测仪器等等组成的立体监测系统，可空间对地观测仪器等等组成的立体监测系统，可实现连续、动态、实时的自动化监测。这样的监实现连续、动态、实时的自动化监测。这样的监测系统采集的数据是大量的、连续的甚至是杂乱测系统采集的数据是大量的、连续的甚至是杂乱无章的，变形的可能越多，要求的反应越快，建无章的，变形的可能越多，要求的反应越快，建立的系统就越复杂。立的系统就越复杂。从大量、连续、杂乱无章的变形观测数据中找出从大量、连续、杂乱无章的变形

66、观测数据中找出其内在的规律，透过现象看本质，然后遵循规律其内在的规律，透过现象看本质，然后遵循规律办事，就是变形分析的真正内涵。办事，就是变形分析的真正内涵。变形分析的研究内容涉及变形数据处理与分析、变形分析的研究内容涉及变形数据处理与分析、变形物理解释和变形预报的各个方面，通常将其变形物理解释和变形预报的各个方面，通常将其分为变形的几何分析和物理解释两部分。分为变形的几何分析和物理解释两部分。变形的几何分析是对变形体的形状和大小的变形变形的几何分析是对变形体的形状和大小的变形作几何描述，其任务在于描述变形体变形的空间作几何描述，其任务在于描述变形体变形的空间状态和时间特性；变形物理解释的任务

67、是确定变状态和时间特性；变形物理解释的任务是确定变形体的变形和变形原因之间的关系，解释变形的形体的变形和变形原因之间的关系，解释变形的原因。原因。1.3.1 变形的时空特征分析及其建模方法变形的时空特征分析及其建模方法传统的变形几何分析主要包括传统的变形几何分析主要包括参考点的稳定性参考点的稳定性分分析、析、观测值的平差处理观测值的平差处理和和质量评定质量评定以及以及变形模型变形模型参数估计参数估计等内容。等内容。监测点的变形信息是相对于参考点或一定的基准监测点的变形信息是相对于参考点或一定的基准的，如果所选基准本身不稳定或不统一，则由此的，如果所选基准本身不稳定或不统一，则由此获得的变形值就

68、不能反映真正意义上的变形，因获得的变形值就不能反映真正意义上的变形，因此，变形的基准问题是变形监测数据处理首先必此，变形的基准问题是变形监测数据处理首先必须考虑的问题。须考虑的问题。过去对参考点的稳定性分析研究主要局限于周期过去对参考点的稳定性分析研究主要局限于周期性的监测网，其方法有很多：性的监测网，其方法有很多：平均间隙法平均间隙法、单点位移分量法、以方差分析和点、单点位移分量法、以方差分析和点的位移向量为基础的的位移向量为基础的Karlsruhe法、考虑大地基准法、考虑大地基准的的Munich法、以位移的不变函数分析为基础的法、以位移的不变函数分析为基础的Fredericton法，及后来

69、发展的逐次定权迭代法。法，及后来发展的逐次定权迭代法。观测值的平差处理和质量评定非常重要，观测值观测值的平差处理和质量评定非常重要，观测值的质量好坏直接关系到变形值的精度和可靠性，的质量好坏直接关系到变形值的精度和可靠性，主要涉及主要涉及观测值质量、平差基准、粗差处理、变观测值质量、平差基准、粗差处理、变形的可区分性形的可区分性等几项内容。等几项内容。在在固定基准固定基准的经典平差基础上，发展了的经典平差基础上，发展了重心基准重心基准的自由网平差和拟稳平差。的自由网平差和拟稳平差。对于变形模型参数估计，陈永奇概括有两种基本对于变形模型参数估计，陈永奇概括有两种基本的分析方法，即直接法、位移法。

70、的分析方法，即直接法、位移法。直接法是直接用原始的重复观测值之差计算应变直接法是直接用原始的重复观测值之差计算应变分量或它们的变化率；位移法是用各测点坐标的分量或它们的变化率；位移法是用各测点坐标的平差值之差（位移值）计算应变量。平差值之差（位移值）计算应变量。根据专家的观点，变形几何分析的主要问题已经根据专家的观点，变形几何分析的主要问题已经得到解决。得到解决。1.3.2 变形物理解释的进展变形物理解释的进展变形物理解释的方法可分为统计分析法、确定函变形物理解释的方法可分为统计分析法、确定函数法和混合模型法数法和混合模型法3类。类。统计分析法中以回归分析模型为主，通过分析所统计分析法中以回归

71、分析模型为主，通过分析所观测的变形（效应量）和外因（原因量）之间的观测的变形（效应量）和外因（原因量）之间的相关性，来建立荷载相关性，来建立荷载变形之间关系的数学模型，变形之间关系的数学模型，它具有它具有“后验后验”的性质，是目前应用比较广泛的的性质，是目前应用比较广泛的变形成因分析法。由于影响变形因子的多样性和变形成因分析法。由于影响变形因子的多样性和不确定性，以及观测资料本身的有限，因此很大不确定性，以及观测资料本身的有限，因此很大程度上制约着回归分析建模的准确性。程度上制约着回归分析建模的准确性。回归分析模型中包括多元回归分析模型、逐步回回归分析模型中包括多元回归分析模型、逐步回归分析模

72、型、主成分回归分析模型和岭回归分析归分析模型、主成分回归分析模型和岭回归分析模型。模型。统计分析的发展包括统计分析的发展包括时间序列分析时间序列分析模型、灰关联模型、灰关联分析模型、分析模型、模糊聚类分析模糊聚类分析模型以及动态响应分析模型以及动态响应分析模型。模型。确定函数法中以确定函数法中以有限元法有限元法为主，它是在一定的假为主，它是在一定的假设条件下，利用变形体的力学性质和物理性质，设条件下，利用变形体的力学性质和物理性质，通过应力与应变的关系建立荷载通过应力与应变的关系建立荷载变形的函数模变形的函数模型，然后利用确定的函数模型预报在荷载作用下型，然后利用确定的函数模型预报在荷载作用下

73、变形体可能的变形。变形体可能的变形。确定性模型具有确定性模型具有“先验先验”的性质，比统计模型有的性质，比统计模型有更明确的物理概念，但往往计算工作量较大，并更明确的物理概念，但往往计算工作量较大，并对用作计算的基本资料有一定的要求。对用作计算的基本资料有一定的要求。1.3.3 变形的预测预报理论变形的预测预报理论在变形的几何分析和物理解释基础上，发展了变在变形的几何分析和物理解释基础上，发展了变形分析预报的系统论方法，该方法主要有两种：形分析预报的系统论方法，该方法主要有两种：一种是输入一种是输入输出模型法，即把变形体看作是一输出模型法，即把变形体看作是一个具有非线性、耗散性、随机性、外界干

74、扰不确个具有非线性、耗散性、随机性、外界干扰不确定性等特点的复杂系统。定性等特点的复杂系统。系统论方法涉及到许多非线性学科的知识，如系系统论方法涉及到许多非线性学科的知识，如系统论、控制论、信息论、突变论、协同论、分形、统论、控制论、信息论、突变论、协同论、分形、混沌理论、耗散结构等，属于交叉研究的领域。混沌理论、耗散结构等，属于交叉研究的领域。到目前为止，将系统论方法与变形分析与预报相到目前为止，将系统论方法与变形分析与预报相结合的研究只是初步的。结合的研究只是初步的。各种外界影响因子为输入，而变形为输出，变形各种外界影响因子为输入，而变形为输出，变形分析预报的方法有回归分析法、时间序列法、

75、卡分析预报的方法有回归分析法、时间序列法、卡尔曼滤波法、频谱分析法、有限元法、小波分析尔曼滤波法、频谱分析法、有限元法、小波分析法和人工神经网络法等；另一种是动力学方程法，法和人工神经网络法等；另一种是动力学方程法，该法与有限元法中的确定函数法相似，是根据系该法与有限元法中的确定函数法相似，是根据系统运动的物理规律建立确定的微分方程来描述系统运动的物理规律建立确定的微分方程来描述系统的运动。但对动力学方程不是通过有限元求解，统的运动。但对动力学方程不是通过有限元求解，而是在对系统受力和变形认识的基础上，用低阶、而是在对系统受力和变形认识的基础上，用低阶、简化的在数学上可求解和可分析的模型来模拟

76、变简化的在数学上可求解和可分析的模型来模拟变形过程。形过程。例如用弹簧滑块模型模拟边坡粘滑过程，用单滑例如用弹簧滑块模型模拟边坡粘滑过程，用单滑块模型模拟大坝变形过程，用尖点突变模型解释块模型模拟大坝变形过程，用尖点突变模型解释大坝失稳机理等；也可根据监测资料反演变形体大坝失稳机理等；也可根据监测资料反演变形体的非线性动力学方程。对动力学方程的解的研究的非线性动力学方程。对动力学方程的解的研究是系统论方法的核心，为此引入了许多与动力系是系统论方法的核心，为此引入了许多与动力系统和与变形分析、预报密切相关的基本概念，如统和与变形分析、预报密切相关的基本概念，如状态空间或相空间、相点、相轨线、吸引

77、子、相状态空间或相空间、相点、相轨线、吸引子、相体识、李亚普诺夫指数和柯尔莫哥洛夫熵等。相体识、李亚普诺夫指数和柯尔莫哥洛夫熵等。相点代表状态向量在某一时刻的解；相轨线代表相点代表状态向量在某一时刻的解；相轨线代表相点运动的迹线；点运动的迹线；吸引子代表系统的一种稳定运动状态，它可以是吸引子代表系统的一种稳定运动状态，它可以是一个稳定的相点位、环或环面，也可以是相空间一个稳定的相点位、环或环面，也可以是相空间的一个有限区域，对于局部不稳定的非线性系统，的一个有限区域，对于局部不稳定的非线性系统，将出现奇怪吸引子，表示系统为混沌状态；李亚将出现奇怪吸引子，表示系统为混沌状态；李亚普诺夫指数描述系

78、统对于初始条件的敏感特征，普诺夫指数描述系统对于初始条件的敏感特征，根据其符号可以判断吸引子的类型以及相轨线是根据其符号可以判断吸引子的类型以及相轨线是发散的还是收敛的；柯尔莫哥洛夫熵则是系统不发散的还是收敛的；柯尔莫哥洛夫熵则是系统不确定性的量度，由它可导出系统变形平均可预报确定性的量度，由它可导出系统变形平均可预报的时间尺度。的时间尺度。对变形观测的时间序列进行相空间重构，并按一对变形观测的时间序列进行相空间重构，并按一定的算法计算吸引子的关联维数、柯尔莫哥洛夫定的算法计算吸引子的关联维数、柯尔莫哥洛夫熵和李亚普诺夫指数等，可在整体上定性地认识熵和李亚普诺夫指数等，可在整体上定性地认识变形

79、的规律。系统论方法还涉及变形体运动稳定变形的规律。系统论方法还涉及变形体运动稳定性研究，这种稳定性在数学上可转化为微分方程性研究，这种稳定性在数学上可转化为微分方程稳定性的研究，主要采用李亚普诺夫提出的判别稳定性的研究，主要采用李亚普诺夫提出的判别方法。变形受确定性和随机性两部分的联合作用，方法。变形受确定性和随机性两部分的联合作用，其演化过程可用一个随机扩展过程如伊藤随机过其演化过程可用一个随机扩展过程如伊藤随机过程来描述，利用随机过程的平均首通时间来进行程来描述，利用随机过程的平均首通时间来进行变形的随机预报较仅依赖确定性模型进行稳定性变形的随机预报较仅依赖确定性模型进行稳定性分析和变形预

80、报更为合理。分析和变形预报更为合理。大坝在所有工程建（构）筑物的安全监测中，大坝的在所有工程建（构）筑物的安全监测中，大坝的安全监测是最为重要和最被重视的。我国有安全监测是最为重要和最被重视的。我国有86000多座大坝，大中型大坝达多座大坝，大中型大坝达3000多座，是世多座，是世界上大坝最多的国家。国家对大坝安全非常重视，界上大坝最多的国家。国家对大坝安全非常重视，成立有大坝安全管理中心。大坝安全管理纳入了成立有大坝安全管理中心。大坝安全管理纳入了法制轨道，制订了一系列大坝安全管理法规性文法制轨道，制订了一系列大坝安全管理法规性文件。大坝安全监测可分为外部观测和内部观测两件。大坝安全监测可分

81、为外部观测和内部观测两大类型，主要是要研制各种专用监测仪器，并使大类型，主要是要研制各种专用监测仪器，并使用一些传统的和现代的大地测量仪器，动态地获用一些传统的和现代的大地测量仪器，动态地获取大坝的性态资料，以便作出安全评价。取大坝的性态资料，以便作出安全评价。外部观测主要是从整体和局部监测大坝所处环境、外部观测主要是从整体和局部监测大坝所处环境、大坝本身及局部位置随时间的变化，确定测点在大坝本身及局部位置随时间的变化，确定测点在某一时刻的空间位置或特定方向的位移。外部观某一时刻的空间位置或特定方向的位移。外部观测主要项目主要包括测主要项目主要包括：（：（1）大坝变形监测网的周）大坝变形监测网

82、的周期观测。（期观测。（2）基准线观测。（）基准线观测。（3）坝内各高程面）坝内各高程面上的垂直位移观测。（上的垂直位移观测。（4）典型项目观测。如对大）典型项目观测。如对大坝特定部位用挠度计测量挠度和用测倾仪或电平坝特定部位用挠度计测量挠度和用测倾仪或电平仪测量倾斜值；大坝两岸边坡稳定性观测，靠近仪测量倾斜值；大坝两岸边坡稳定性观测，靠近大坝的上下游岸坡的滑坡监测等。大坝的上下游岸坡的滑坡监测等。除上述有关方法外，还有近景摄影测量方法，以除上述有关方法外，还有近景摄影测量方法，以及用测量机器人进行周期观测或持续性的自动遥及用测量机器人进行周期观测或持续性的自动遥测。内部观测主要是通过埋设在大

83、坝内部特定的测。内部观测主要是通过埋设在大坝内部特定的仪器，如应变计、测缝计、裂缝仪、渗压计、扬仪器，如应变计、测缝计、裂缝仪、渗压计、扬压力计、测压管、渗流量仪、温度计等，对大坝压力计、测压管、渗流量仪、温度计等，对大坝的应力应变、裂缝、渗流渗压以及温度等进行持的应力应变、裂缝、渗流渗压以及温度等进行持续自动的观测，如差动电阻式仪器（卡尔逊仪器）续自动的观测，如差动电阻式仪器（卡尔逊仪器）和弦式仪器广泛地用于混凝土坝的温度、应力应和弦式仪器广泛地用于混凝土坝的温度、应力应变、渗压等监测。变、渗压等监测。根据实测应变计算坝体内部应力，如拱坝的径向根据实测应变计算坝体内部应力，如拱坝的径向应力、拱向应力和梁向应力等，看是否有较大的应力、拱向应力和梁向应力等，看是否有较大的拉应力存在，对于大坝的安全评判十分重要。基拉应力存在，对于大坝的安全评判十分重要。基于于Fabry-Perot的光纤传感技术用于应变、渗压、的光纤传感技术用于应变、渗压、温度和裂缝测量，具有许多传统传感器无法替代温度和裂缝测量，具有许多传统传感器无法替代的优点，可布设成分布式网络，在大坝内部观测的优点，可布设成分布式网络，在大坝内部观测中有广阔的应用前景。中有广阔的应用前景。